角区三维分离流附着鞍点结构机理及流动控制研究

The Attachment Saddle Structure is a local separation flow structure that first found in juncture flow's 3-D boundary layer separation flows at relatively smaller Reynolds number, which is different from the conventional 3-D boundary layer separation flow structures. The attachment saddle structure and the characteristics is far from been acknowledged and is far from been well understood. The formation mechanism, parameters influence, evolvement rule and control mechanism of the attachment saddle structure are the problems which still unsolved and bear important worthiness of theoretical rearch. On the other hand, to restrain and to control the global separation vortex structure at relatively larger Reynolds number in juncture flows bear broad and important background of engineering application. The investigation proposed in this proposal aims to study the formation mechanism, parameters influence, evolvement rule of local attachment saddle structure of 3-D boundary layer separation in juncture flows, to study relations between attachment saddle structure and Lighthill's classical separation saddle structure and to explore the control method and mechanism of attachment saddle structure. The quantitative measurement technique of PIV and LDV, the active flow control method of small orifice suction, plasma actuation, passive flow control method of small disturbance cylinders, and numerical simulation method are employed in the investigation.This investigation is of major significance to deep understanding 3-D boundary layer separation structure and mechanism. In addition,to study the restraining method and controlling mechanism of the global vortex structure at relatively larger Reynolds number in juncture flows, and this investigation may offer technical foundation of juncture flow control in engineering application.

附着鞍点结构是角区较低雷诺数下三维旋涡流动中发现的有别于传统分离概念的局部分离流结构，这种局部分离结构及其特性尚未得到普遍接受和深入认识，其形成机制、影响因素、演化规律及其控制机制等是角区流动研究中尚未解决的基础问题，具有重要的理论研究价值。另一方面,对于角区较高雷诺数下整体涡结构的抑制与控制研究价则具有广泛而重要的工程应用背景。本申请提出综合采用PIV、LDV等定量测试技术,引入小孔抽吸、等离子激励主动控制技术以及小干扰柱体被动控制技术等，辅以数值模拟手段，深入研究角区三维流动较低雷诺数下局部附着鞍点结构的形成机制、影响因素和演化规律，揭示附着鞍点结构与Lighthill经典分离结构的关系，探索附着鞍点结构的控制方法和控制机制，该项研究对于深化认识三维分离流结构和机理具有重要意义。此外研究探索角区流动在较高雷诺数下整体旋涡结构的抑制方法和控制机制，为角区流动控制工程应用提供技术基础。

本项目主要研究角区三维分离流涉及的三个基础性、应用性问题：一是研究角区附着鞍点拓扑结构的形成机制、影响因素和演化规律，探索Lighthill经典三维分离模式与附着鞍点拓扑的关系；二是研究附着鞍点拓扑结构的控制方法与控制机理；三是研究角区马蹄涡总体结构的工程控制方法与控制机理。综合采用风洞和水槽中的流动显示、PIV实验、压力分布测量以及数值模拟等手段开展相关研究。.在基础性研究方面，进一步证实了角区多种条件下附着鞍点拓扑的存在性，揭示了角区附着鞍点拓扑与常规分离鞍点拓扑之间的演化和参数影响规律。分别从壁面摩擦应力与摩擦力线宽度综合变化等三个方面详细分析了附着鞍点拓扑的演化机制。基于近壁极限流线流管质量守恒的分析,提出应从壁面摩擦应力与极限流线宽度综合变化来判断三维分离拓扑:当摩擦应力与摩擦力线宽度二者乘积沿流线持续减小时，流动将体现为常规的分离鞍点，当摩擦应力与摩擦力线宽度二者乘积沿流线持续增加时，流动将体现为附着鞍点，分析表明角区附着鞍点结构是Lighthill经典三维分离模式的一种特例。据此提出了附着鞍点演化的判据，通过计算和实验验证了上述判据的正确性，同时通过微抽吸等方法实现了对附着鞍点演化的控制，验证了附着鞍点演化的控制机理分析。上述结果扩展了对三维分离流动结构的认识，推广了Lighthill经典三维分离模式在附着鞍点情况下的适用性，深化了对于三维分离拓扑结构演化机制以及控制机理的认识。.在应用性研究方面，针对湍流角区三维分离马蹄涡的控制和抑制目标，采用角区上游布置微小梯形与三角形涡流发生器对、上游小干扰柱体、二维与三维槽道等被动控制方法、以及等离子体激励等主动控制方法，研究发现上述控制方法中除小干扰柱体之外均获得了理想的马蹄涡控制和抑制效果，获得了上述控制方法的参数影响规律，分析了控制的物理机理。该研究为发展工程应用中可能的几种角区马蹄涡控制方法提供了重要的参考依据。